DE69308349T2

DE69308349T2 - Zeitliche Modulation eines Elektrosprays

Info

Publication number: DE69308349T2
Application number: DE69308349T
Authority: DE
Inventors: Joseph A Jarrell; Michael J Tomany; Douglas Wittmer
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Investments Ltd
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2013-04-06
Also published as: JP2002303606A; DE69308349D1; US5306910A; JP3299335B2; JPH0650940A; US5436446A; EP0565027B1; EP0565027A1; JP3447727B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft die Erzeugung eines zeitmodulierten Elektrosprays, der für das Analysieren von gelösten Stoffen (solutes) in einer Problenlösung zweckmäßig ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein im Oberbegriff von Anspruch 14 definiertes Verfahren und eine im Oberbegriff von Anspruch 1 definierte Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektrosprays aus einer Probenlösung, die anschließend analysiert wird.
Eine durch eine Kapillardüse oder -öffnung strömende Flüssigkeit kann durch Anlegen eines starken elektrischen Felds an die Flüssigkeit bei ihrem Austritt aus der Spitze der Kapillare in einen Spray bzw. Sprühstrahl kleiner, geladener Tröpfchen (in der Größenordnung von 1 µm Durchmesser) umgewandelt werden. Bei einem ausreichend hohen anliegenden Feld ist die durch das Feld und die oberflächeninduzierte elektrische Ladung aufgeprägte elektrostatische Spannung oder Beanspruchung (stress) ausreichend, um die Oberflächenspannungskräfte an der Flüssigkeit zu überwinden. Ein Aufbrechen in eine große Zahl kleiner, geladener Tröpfchen stellt für die Flüssigkeit eine Möglichkeit dar, die Ladung zu verteilen und einen niedrigeren Gesamtenergiezustand zu erreichen. Dieser Prozeß der Erzeugung bzw. Bildung eines Sprühstrahls ist allgemein als Elektrospray bekannt.
In früheren Anwendungen des Elektrosprayprozesses für Massenspektrometrie wurde der Elektrospray als statischer oder Dauer(zustands)-Prozeß betrachtet. Das genannte, angelegte elektrische Feld wird zeitlich konstant gehalten; als Ergebnis ist die Sprühstrahlbildung zeitlich konstant. In einer neueren Arbeit über die Ankopplung eines Elektrosprays an einen Laufzeit-Massenspektrometer geben Whitehouse und Mitarbeiter an, daß der Elektrospray eine inhärente Gleichstrom-Erscheinung ist, die das kontinuierliche Vorhandensein eines starken (großen) Potentialgradienten um eine scharfe (spitze) Nadelspitze zur Bildung geladener Tröpfchen erfordert (vgl. "Electrospray ionization on an ion storage time- of-flight mass spectrometer", J.G. Boyle et al., erweiterte Auszüge der 12th International Mass Spectrometry Conference, 26. - 30. August 1991, in Amsterdam, Holland, Abstract Nr. WEM-DO4 auf S. 238).
Derzeit stehen Vorrichtungen bzw. Geräte zum Erzeugen eines Elektrosprays aus einer Probenlösung, wie einem aus einer Flüssigchromatographie-Trennstufe austretenden Flüssigkeitsstrom oder -strahl, und anschließenden Analysieren des Elektrosprays mit eihem Massenanalysator, wie einem Quadrupol-Massenspektrometer, einer Ionenfalle, einem Laufzeit-Massenspektrometer oder einem Magnetsektor- Massenspektrometer o.dgl., zur Verfügung. Bei jeder Art von Massenspektrometer (MS) kann bei der Durchführung (manipulation) der Analyse, die für ihre Ausführung eine endliche Zeit erfordert oder in welcher entweder vor der Analyse oder als Teil derselben Ionen gespeichert werden müssen, etwa bei einem Laufzeit-Massenspektrometer, einer Quadrupol-Ionenfalle, bei zahlreichen Ausführungen von MS/MS oder einem Fourierschen Transformations-Massenspektrometer, eine nichtkontinuierliche Quelle des Elektrosprays eine erhöhte Wirksamkeit der Analyse gewährleisten. Beispielsweise im Fall einer Ionenfalle werden somit Ionen durch zweckmäßige elektrische Felder in einem kleinen Volumen gesammelt und gespeichert. Das Masse/Ladung-Spektrum dieser gesammelten Ionen kann erst dann sicher bestimmt werden, wenn die Falle "saubergespült" ist, d.h. an die Falle Spannungen angelegt werden, die ein sequentielles Ausstoßen und Nachweisen von Ionen herbeiführen bzw. zulassen. Ihr Masse/Ladung-Verhältnis wird nur anhand der Parameter, die ihren Ausstoß verursachen, bekannt. Während dieses Auslese- bzw. Anzeigeintervalls können neu geformte Elektrosprayionen nicht wirksam in die Falle eingeführt werden, so daß sie vergeudet werden. Auf ähnliche Weise analysiert ein Laufzeit-Massenspektrometer Ionen unterschiedlichen Masse/Ladung-Verhältnisses durch Freisetzen oder Erzeugen eines Stoßes von Ionen einer gegebenen Energie und anschließendes Messen der Differenzen in ihrem Masse/Ladung-Verhältnis auf der Grundlage ihrer unterschiedlichen Laufzeiten längs einer vorbestimmten Bahn. Während dieser Laufzeit können neu erzeugte Ionen nicht eingeführt werden, ohne möglicherweise die Analyse zu verwirren. Während dieser Laufzeit neu erzeugte Ionen werden mithin vergeudet.
Bei den meisten bisherigen Elektrosprayquellen muß die Elektrospraykapillare auf einem hohen elektrischen Potential in bezug auf Masse gehalten werden, wenn der Masse/Ladung- Analysator und sein Vakuumgehäuse nahezu auf Massepotential gehalten werden sollen. Dies bedeutet, daß etwaige Mittel zum Einführen der Flüssigkeit in die Elektrosprayquelle, wie Flüssigchromatograph oder (Flüssigkeits-)Pumpe, entweder ebenfalls auf einem hohen elektrischen Potential gegenüber Masse gehalten oder mit der Elektrospraykapillare durch lange Stücke isolierender Rohr- oder Schlauchleitung mit enger Bohrung verbunden werden müssen. Dies kann die Systemleistung beeinträchtigen und auch eine gewisse Sicherheitsgefährdung herbeiführen.
Bei einem Flüssig(keits)chromatographen wird ein Lösungsmittelstrom, der ein Gemisch chemischer Arten (species) in Lösung enthält, bei erhöhtem Druck durch eine chromatographische Säule geleitet. Die Säule ist so ausgestaltet, daß sie das Gemisch durch differentielles Zurückhalten an der Säule in ihre Bestandteilsarten trennt. Die verschiedenen Arten treten dann aus der Säule als eindeutige, zeitlich getrennte Bänder im Lösungsmittelstrom aus. Der Flüssigchromatograph stellt somit eine ideale Vorrichtung dar, um in einen Massenspektrometer einzelne Arten, von anfänglich komplexen Gemischen getrennt, einzuführen.
In der US-PS 4 545 293 ist vorgeschlagen, einen starken Gasstrom zum Einschließen von Ionen und Tröpfchen durch eine Kapillare aus einem Isolator zu benutzen, so daß sie gegen das gegenwirkende elektrische Feld über die Kapillare wandern, d.h. der viskose Widerstand des Gasstroms an diesen vorhandenen Ionen oder Tröpfchen ist größer als die elektrostatische Kraft an den Ionen. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sie es erlaubt, die Kapillare, aus welcher der Elektrospray austritt, und den Massenanalysator auf vergleichsweise willkürlichen elektrischen Potentialen zu halten; besonders zweckmäßig können beide an Masse (oder Erde) liegen. Bei diesem System können sich jedoch geladene Tröpfchen und Ionen an der Innenwand dieser isolierten Kapillare ablagern. Diese Ladung kann dann mit einer unbestimmbaren Geschwindigkeit abgeleitet werden, wodurch die Grenzflächenstabilität beeinträchtigt werden kann.
In "Analytical Chemistry", Band 63, Nr. 41 15. Februar 1991, S. 375 - 383, ist eine herkömmliche Elektrosprayvorrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Art, gekoppelt oder verbunden mit einem Ionenfallen-Massenspektrometer, offenbart. Diese Elektrosprayvorrichtung umfaßt eine Kapillarröhre, durch die eine Probenflüssigkeit geleitet wird, um an der Spitze der Kapillarröhre einen konstanten Elektrospray mittels einer an die Lösung angelegten Hochspannung von 3 - 5 kV zu erzeugen. Der Elektrospray wird zu einer Platte und durch eine in dieser geformte Öffnung (Apertur) zu einem evakuierten Bereich geleitet, der Linsenelemente zum Fokussieren bzw. Bündeln von Ionen auf einen Elektronenvervielfacher enthält.
Aus "Analytical Chemistry", Band 63, Nr. 24, 15. Dezember 1991, S. 2897 - 2900, ist eine Vorrichtung für chemische Atmosphärendruckionisierung bekannt, in welcher geladene Teilchen von einer Ioneninjektionsdüse zu einem Mikrokanalplattendetektor übertragen werden, worin eine Abstoßerplatte vorgesehen ist, der ein zeitmoduliertes elektrisches Potential aufgeprägt wird, um Ionen auf ihrer Bahn um 900 abzulenken.
Folglich wäre es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Modulieren der Umwandlung einer Flüssigkeits probe in eine Form etwa eines Elektrosprays, der eine anschließende Analyse in einem Massenspektrometer o.dgl. zuläßt, bereitzustellen. Zudem wäre es wünschenswert, eine solche Vorrichtung bereitzustellen, in welcher die Flüssigkeitsprobe in einen Elektrospray umgewandelt werden kann und wobei sowohl die Vorrichtung zum Erzeugen des Elektrosprays als auch der Elektrospray-Analysator auf nahezu Massepotential gehalten werden kann. Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art würden Probenvergeudung minimieren und eine sichere und wirkungsvolle Möglichkeit für das Analysieren der Probe gewährleisten.

ABRISS DER ERFINDUNG

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Umwandeln einer eine gelöste (solute) Probe enthaltenden Lösung in ionisierte Moleküle, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, und ein im Anspruch 14 definiertes Verfahren zum Erzeugen eines Elektrosprays.
Gegenstand dieser Erfindung ist mithin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines zeitmodulierten Elektrosprays aus einer Lösung, die eine gelöste Probe (bzw. eine Probe eines gelösten Stoffs) enthält. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung nutzen ein zeitmoduliertes elektrisches Feld. Eine die Probe enthaltende Lösung wird durch eine Kapillare geleitet und tritt an einem Austrittsende der Kapillare aus, wo sie durch Anlegen dieses zeitmodulierten elektrischen Felds in einen zeitmodulierten Elektrospray umgewandelt wird, der dann zu einem Analysator durchlaufen kann. Letzerer vermag das Masse/Ladung-Spektrum des gelösten Probenstoffs (sample solute) zu analysieren. Durch Nutzung des zeitmodulierten Elektrosprays kann der Strom der Probe in Anpassung an die Kapazität bzw. das Leistungsvermögen des Analysators moduliert werden, um die ionisierte Probe auf einer intermittierenden Basis zu analysieren. Folglich kann die Probe wirksamer analysiert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung dieser Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung dieser Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung dieser Erfindung, bei welcher die Elektrospray-Kapillare in einer Kammer angeordnet ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung dieser Erfindung, bei welcher ein Abschnitt oder Teil der Kammer an eine zeitmodulierte Spannungsversorgung angeschlossen ist,
Fig. 5 eine Darstellung einer Grundform dieser Erfindung,
Fig. 6 das Ionensignal, das als Funktion einer zeitmodulierten Spannung registriert ist, welche an ein Element zwischen einem Durchgang und ein in (Schnittstellen-)Verbindung (interfaced) mit einer analytischen Vorrichtung stehendes Gehäuse angelegt wird, und
Fig. 7 die Verwendung von mehreren Rosten bzw. Gittern (grids) bei der Vorrichtung nach dieser Erfindung.
Der Deutlichkeit halber sind in diesen Figuren, mit Ausnahme von Fig. 5, nur die Anschlüsse für zeitmodulierte Spannungen dargestellt.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die allgemeinste Form der vorliegenden Erfindung geht aus Fig. 5 hervor, die eine(n) Durchgang bzw. Leitung 10 mit typischerweise einer Elektrospraykapillare und einem Referenzelement 9 zeigt. Beim herkömmlichen Elektrospray wird ein konstantes elektrisches Feld am Spitzenbereich des Durchgangs 10 aufgeprägt, indem eine konstante elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Durchgang 10 und dem Element 9 angelegt bzw. hergestellt wird. Bei dieser Erfindung ist die konstante elektrische Potentialdifferenz durch eine zeitmodulierte elektrische Potentialdifferenz ersetzt, wie sie mittels einer zeitmodulierten Spannungsversorgung 51 auf geprägt werden kann, so daß durch geeignete Wahl von Potentialen ein zeitmodulierter Elektrospray erzeugt wird. Wenn in einer speziellen Form das Element 9 eine Eintrittsmöglichkeit in eine Analysevorrichtung, wie eine Ionenfalle oder ein Laufzeit-Massenspektrometer, bietet, wird eine in (der) Lösung befindliche Probe erst dann in einen Elektrospray umgewandelt, wenn die Analysevorrichtung für ihre Aufnahme bereit ist. Dies ermöglicht eine effizientere Analyse der Probe. Durch Anwendung eines bipolar modulierenden elektrischen Potentials können darüber hinaus sowohl positiv als auch negativ geladene Sprays (Sprühstrahlen) im wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden. Dies ist zweckmäßig, weil einige Proben in Lösung sich anhand von positiv geladenen Elektrosprays wirksamer analysieren lassen, während andere Proben in Lösung anhand negativ geladener Elektrosprays wirksamer zu analysieren sind. Dies ist dann besonders zweckmäßig, wenn eine Probeneinführeinheit, wie ein Flussigchromatograph, in (Schnittstellen-)Verbindung mit einem Massenanalysator steht, weil hierdurch die für eine Analyse von sowohl positiven als auch negativen Elektrosprays nötige Zeit um ungefähr das Zweifache reduziert (d.h. halbiert) wird. Bei herkömmlichen Elektrosprayeinrichtungen sind zwei aufeinanderfolgende chromatographische Trennungen nötig. Mit einem zeitmodulierten Elektrospray kann die Analyse von sowohl positivem als auch negativem Elektrospray in einem Durchgang durchgeführt werden. Da eine typische chromatographische Trennung eines komplexen Gemisches von Biomolekülen ohne weiteres eine Stunde dauern kann, stellt dies eine beträchtliche Zeiteinsparung dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist der die flussige Probe aufnehmende Abschnitt der Elektrosprayeinheit aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wie Glas, Quarz, synthetische polymere Masse o.dgl., geformt. Die Verwendung eines elektrisch isolierenden Werkstoffs bietet einen wesentlichen Vorteil gegenüber der Verwendung eines elektrisch leitenden Werkstoffs zur Aufnahme der Flüssigkeit in der Elektrosprayvorrichtung, wie nichtrostender Stahl. In einer Betriebsart kann der Elektrospray(vorgang) bei niedrigen Spannungen mit einer Kapillare oder Düse eines kleinen Außendurchmessers in der Größenordnung von 10 - 20µm durchgeführt werden. Ein Elektrospray kann mit einer anhegenden Potentialdifferenz von nur etwa 775 V zwischen dem Auslaß der Elektrosprayvorrichtung und der nächstgelegenen Referenzelektrode erzeugt werden. In einer zweiten Betriebsart ist es zweckmäßig, ein möglichst hohes Spannungsgefälle oder -differential zwischen dem Auslaßende einer elektrisch isolierten Elektrosprayvorrichtung und dem Gehäuse aufrechtzuerhalten. Mit dem nichtleitenden Elektrospray(gerät) kann eine Hochspannung von bis zu etwa 18 kV eingesetzt werden. Beim Arbeiten auf diese Weise können unter Vermeidung eines Lichtbogens zwischen der Elektrosprayvorrichtung und dem Gehäuse hohe Elektrospray-Durchsätze von bis zu etwa 10 µl/min erreicht werden. Diese Betriebsvielseitigkeit ermöglicht den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen, einschließlich des Elektrosprayens von Lösungen eines höheren Wassergehalts (bis zu 97% v/v (Volumen/Volumen)).
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, daß dabei sowohl die Elektrosprayvorrichtung als auch eine analytische bzw. Analyse-Vorrichtung auf elektrischen Potentialen gehalten werden kann, die nahe bei oder auf Erde bzw. Masse (ground) liegen. Bei den meisten herkömmlichen Elektrosprayeinheiten muß entweder die Elektrosprayvorrichtung oder die Analysevorrichtung auf einer Hochspannung gehalten werden. Diese Ausführungsform bietet, allgemeiner ausgedrückt, eine willkürlichere Beziehung zwischen den der Elektrosprayvorrichtung und dem Analysator aufgeprägten Potentialen.
Dies wird durch Einfügen eines anderen Elements zwischen die Elektrosprayvorrichtung und den Analysator erreicht, wie sich dies aus einer Bezugnahme auf Fig. 6 erkennen läßt.
Im folgenden sind die zur Bildung von positiven elektrogesprayten bzw. Elektrospray-Ionen benutzten Potentiale beschrieben; der Prozeß ist für die Bildung negativer Ionen der gleiche, nur mit dem Unterschied, daß die Polarität der angelegten Potentiale typischerweise umgekehrt werden muß.
Gemäß Fig. 6 kann der Durchgang 10 ständig auf Masse oder nahe Massepotential gehalten werden. Ebenso kann der Einlaß zu einer Analysevorrichtung, die typischerweise ein Gehäuse 11 sein kann, gleichfalls ständig auf Masse oder in typischer Weise auf einigen 100 V, positiv gegenüber Masse, gehalten werden. Gemäß Fig. 6 ist ein Gitter 50 zwischen den Durchgang 10 und das Gehäuse 11 eingefügt. Das an das Gitter 50 angelegte elektrische Potential wird auf die in Fig. 6 schematisch gezeigte Weise moduliert. Zunächst wird ein negatives Potential (typischerweise von einigen kV) an das Gitter 50 angelegt. Hierdurch wird dem aus dem Austrittsbzw. Auslaßende 27 des Durchgangs 10 austretenden Fluid ein Feld aufgeprägt, das an diesem Fluid eine positive Ladung induziert, die in einem Elektrospray aus positiv geladenen Tröpfchen resultiert. Diese Tröpfchen wandern dann zum Gitter 50, und einige dieser Tröpfchen sowie einige der bereits geformten bzw. erzeugten Ionen passieren das Gitter 50 infolge ihrer Wucht bzw. ihres Impulses (momentum). Wenn dieses negative Potential am Gitter 50 aufrechterhalten wird, kommen Tröpfchen und etwaige, vorhandene Ionen letztlich am Gitter 50 zu ruhen.
Nach einer kurzen Zeitdauer (typischerweise zwischen 50 und 5000 Mikrosekunden) wird jedoch die Polarität des dem Gitter 50 aufgeprägten elektrischen Potentials auf eine Größe umgekehrt, die typischerweise einige (wenige) 100 V, positiv in bezug auf das Gehäuse, beträgt, so daß Ionen und Tröpfchen, welche das Gitter 50 passiert haben, nunmehr durch das Feld zwischen Gehäuse 11 und Gitter 50 in Richtung auf das Gehäuse 11 getrieben werden. Einige Ionen oder Tröpfchen, die sich nahe dem Gitter 50 befinden, können in dem Augenblick, in welchem das angelegte Potential auf Positiv übergeht, möglicherweise das Gitter 50 noch nicht (voll) durchquert haben. Ihr Impuls kann dennoch ausreichend sein, um sie durch das Gitter 50 zu befördern.
Für den Fachmann ist offensichtlich, daß für den gleichen Effekt bzw. Zweck zusätzliche Gitter und Modulierspannungen hinzugefügt werden können, um im wesentlichen einen Peristaltikpumpeneffekt für geladene Teilchen herbeizuführen. Ersichtlicherweise können diese Techniken auch mit Gittern eingesetzt werden, die nicht perfekt parallel (angeordnet) sind, nämlich, um geladene Teilchen abzulenken (to turn corners). Insbesondere ist das zwischen den Durchgang 10 und das Gehäuse 11 eingefügte Element nicht auf ein Gitter (oder einen Rost) beschränkt, vielmehr kann es auch eine teilweise durchlässige Elektrode, z.B. ein Ring (annulus) sein. Ein Beispiel einer Änderung oder Abwandlung der Anlegung von zeitmodulierten Spannungen an Gitter oder Elektroden, welche die Einstellung sowohl der Elektrospray Kapillare als auch des Masse/Ladung-Analysators auf oder nahe Massepotential erlaubt, ist in Fig. 7 dargestellt. Hierbei ist der (die) Elektrospray(einheit) kontinuierlich aktiviert, doch läßt die Modulation des an die zwischengefügten Gitter angelegten Potentials Elektrospray-Tröpfchen und Ionen vom Durchgang 10 zum Gehäuse 11 wandern.
Für den Fachmann ist auch offensichtlich, daß zeitmodulierte elektrische Felder zweckmäßig genutzt werden können, um ebenso den Energiezustand von elektrisch geladenen Teilchen zu ändern, die mittels anderer, dem Fachmann bekannter Techniken generiert werden können. Beispiele solcher Techniken sind Vernebelungstechniken, die thermische, pneumatische oder Ultraschall-Einrichtungen oder verschiedene Kombinationen davon einsetzen. Einige dieser Beispiele werden häufig mit ihren Handelsbezeichnungen als "Ionspray" und "Thermospray" bezeichnet.
Obgleich die obigen Beschreibungen dieser Techniken darauf bezogen sind, daß die fraglichen geladenen Teilchen in einem gasförmigen Medium enthalten sind, können diese Techniken im allgemeineren Sinn auch zweckmäßig bei anderen flüssigen Medien angewandt werden.
Obgleich diese Erfindung in typischster Weise auf oben beschriebene Weise genutzt werden kann, um sowohl die Elektrospray-Kapillare als auch den Masse/Ladung-Analysator und sein Vakuumgehäuse nahe(zu) an Masse zu halten, können die gleichen Grundprinzipien ersichtlicherweise auch genutzt werden, um das elektrische Potential zu erhöhen, bei dem Tröpfchen oder Ionen auftreten (find themselves), um ihre optimale Einführung in einen Magnetsektor-Massenspektrometer zu erleichtern. Ebenso ist ersichtlich, daß andere Spannung/- Zeit-Profile nutzbar sind. Bei den hier beschriebenen Beispielen erfahren die Modulierspannungen diskrete, zeitabhängige Pegelverschiebungen, d.h. sie sind als rechteckig geformte Impulse oder Pulse wiedergegeben. Diese Erfindung kann aber auch mit z.B. sinusförmigen Spannung/Zeit- Änderungen oder vielen anderen periodischen oder annähernd periodischen zeitabhängigen Änderungen der Spannung realisiert werden.
Einige spezifische, detaillierte Ausführungsformen vollständiger Elektrospray-, Schnittstellen- (oder Verbindungs-) und Massenanalysesysteme sind im folgenden anhand der Fig. 1, 2, 3 und 4 beschrieben. Diese Systeme gewährleisten die Erzeugung von Elektrosprays aus Probenlösungen sowie die Desolvatisierung dieser Elektrosprays zur Bildung intakter Ionenströme, bestehend aus Ionen, Dampf und Gas, für die Analyse. Alle im folgenden beschriebenen Prozesse basieren auf dem elektrischen Potential, das für die Bildung bzw. Erzeugung positiv geladener Tröpfchen, Ionen und Komplexe bzw. Cluster angelegt werden wird. Ersichtlicherweise können durch geeignete Umkehrung (Umpolung) von Potentialen auch negativ geladene Tröpfchen, Ionen und Cluster gebildet werden.
Gemäß Fig. 1 strömt die der Elektrospraywirkung zu unterwerfende Flüssigkeit (die typischerweise interessierende Analysestoffmoleküle, etwa von einem Flüssigchromatographen, mitführt) in Richtung des Pfeils 26 in das eine Ende des Durchgangs 10 ein, der ständig auf oder nahe elektrischem Massepotential bleiben kann. Beim Austritt der Flüssigkeit aus dem anderen Ende dieser Kapillare bzw. dieses Kapillar röhrchens wird sie - wie oben beschrieben - aufgrund der zeitmodulierten elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Auslaßende 27 an der Spitze des Durchgangs 10 und dem Gitter 50, das an eine zeitmodulierte Spannungsversorgung 51 angeschlossen ist, in einen zeitmodulierten Elektrospray umgewandelt. Dieses Ende 27, aus welchem die Flüssigkeit der Elektrospraywirkung unterworfen (electrosprayed) wird, und das Gitter 50 sind einem beheizten, elektrisch leitenden Gehäuse 11 untergefähr gegenüberstehend angeordnet. Das Gehäuse 11 bildet eine Wand einer Kammer 32, die aus dem Gehäuse 11, einem Wandteil 8, einer (Loch-)Blende (skimmer) und zwei Isolierteilen 7 besteht. Das Gehäuse 11 ist durch ein Isolierteil 7 gegenüber seiner Umgebung elektrisch isoliert und kann mithin auf ein beliebiges elektrisches Potential in bezug auf Masse (oder Erde) gesetzt werden. Das Gehäuse 11 wird von einem Durchgang 1 durchsetzt und enthält ein Heizelement 31, etwa ein elektrisches Patronenheizelement. Der Durchgang 1 weist eine Einlaßöffnung 12 und eine Auslaßöffnung 28 auf. Die Einlaßöffnung 12 des Durchgangs 1 ist an der (am) Spitze bzw. Scheitel des Gehäuses 11 vorgesehen. Die Länge des Durchgangs liegt typischerweise zwischen etwa 1 cm und 4 cm. Das Gehäuse 11 ist aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Werkstoff, wie Aluminium, geformt, der auf eine Temperatur zwischen etwa 65º und 220ºC, vorzugsweise zwischen etwa 100º und 130ºC erwärmt wird. Das Gehäuse 11 kann aus einem Metall wie Aluminium oder nichtrostender Stahl bestehen. Das Gehäuse 11 kann auf beliebige herkömmliche Weise erwärmt bzw. beheizt werden, z.B. mit Hilfe von in das Gehäuse eingebetteten elektrischen Widerstandsheizelementen oder mittels interner Leitungen für erwärmtes Wärmeaustauschfluid. In jedem Fall läßt sich einfach eine gleichmäßige Erwärmung des Durchgangs aufgrund seiner Masse und seines Bauwerkstoffs erreichen. Der Durchgang 1 durch das Gehäuse 11 kann so konturiert sein, daß die Notwendigkeit für genaue Positionierung des Auslaßendes 27 gegenüber dem Gehäuse 11 gemildert und der Wärmeübergang vom Gehäuse 11 zum Ionenstrom optimiert wird bzw. ist. Das Gehäuse 11 dient auch als Wand zwischen einem Bereich von Atmosphärendruck (13) und einem Bereich niedrigeren Drucks (14).
Der Bereich 14 wird durch eine kleine Kreiselpumpe 6 auf diesem niedrigen Druck von typischerweise 532,3 - 2661,4 N/m² (4 - 20 Torr) gehalten. Das Gehäuse 11 wird typischerweise auf einer Temperatur von 100 - 220ºC gehalten. Aufgrund des Druckgefälles über den Bereich wird die im Bereich 13 befindliche Umgebungsatmosphäre in die Öffnung 12 eingesaugt. Im Zusammenwirken mit den elektrischen Feldern zwischen dem Gitter 50 und dem Gehäuse 11 wird durch diesen Gasstrom bewirkt, daß einige der elektrogesprayten bzw. Elektrospray- Tröpf chen, Ionen, Cluster und Dämpfe in die Öffnung 12 und (damit) in den Durchgang 1 eintreten. Während diese Tröpfchen den Durchgang 1 passieren, wird Wärem auf sie übertragen, wodurch Desolvatisierung (desolvation) und einige gewisse Ionenverdampfung begünstigt werden. Das Gehäuse 11 besitzt genügend Masse, typischerweise mehr als etwa 50 g, um diese(n) Wärmeübergang oder Übertragung zu bewirken. Das in Verbindung mit dem Gitter 50, an das eine zeitmodulierte Spannung angelegt ist, benutzte Gehäuse 11 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung dar.
Der Bereich 14 ist durch das Gehäuse 11, die Blende (skimmer) 15 und das Wandteil 8 begrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle diese Teile durch die Isolierteile 7 elektrisch voneinander isoliert, so daß die Form des Wandteils 8 und das an ihm anliegende elektrische Potential für die Optimierung der Übertragung geladener Teilchen genutzt werden können. Es ist jedoch auch möglich, daß das Wandteil 8 elektrisch und/oder mechanisch Teil entweder des Gehäuses 11 oder der Blende 15 ist. Der Abstand zwischen der Auslaßöffnung 28 des Durchgangs 1 und der Öffnung (Apertur) 16 der Blende 15 liegt typischerweise zwischen etwa 0,1 cm und 0,5 cm.
Der Ionenstrom aus Luft, Tröpfchen, Ionen, Gas, Clustern und Dampf tritt aus der Öffnung 28 in den Bereich 14 ein und trifft auf eine leitfähige (Loch-)Blende (skimmer) 15 auf, die gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert ist und daher auf ein willkürliches elektrisches Potential gegenüber Masse gesetzt werden bzw. sein kann.
Typischerweise arbeitet sie mit einem solchen Potential, daß zwischen Gehäuse 11 und Blende 15 ein elektrisches Feld besteht, das ein Fokussieren bzw. Bündeln geladener Teilchen zur Blende 15 hin bewirkt. Infolge von Kollisionen zwischen geladenen Bestandteilen des Ionenstroms (z.B. Ionen, geladene Tröpfchen, geladene Cluster und solvatisierte Ionen) und neutralem Gas sowie Dampfmolekülen in diesem Bereich 14 beim Durchlauf des Ionenstroms durch den Bereich 14 zur Blende 15 treten eine weitere Desolvatisierung, Ionenverdampfung und Entclusterung auf. Die Energie dieser Kollisionen kann durch die Potentialdifferenz zwischen dem Gehäuse 11 und der Blende beeinflußt werden.
Ein Teil des an der Blende 15 ankommenden Ionenstroms durchläuft die Öffnung 16-an ihrer Spitze bzw. ihrem Scheitel und tritt in einen Bereich 17 ein, um auf eine leitfähige (Loch-)Blende 18 aufzutreffen, die gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert ist und daher auf ein beliebiges elektrisches Potential gegenüber Masse eingestellt sein kann. Der Bereich 17 wird durch eine andere Kreiselpumpe 4 auf einem niedrigeren Druck, typischerweise 13,3 - 399,2 N/m² (0,1 - 3 Torr) gehalten. Dabei treten wiederum aufgrund von Kollisionen zwischen geladenen Bestandteilen des Ionenstroms (z.B. geladene Tröpfchen, geladene Komplexe und solvatisierte Ionen) und neutralem Gas sowie Dampfmolekülen in diesem Bereich 17, während der Ionenstrom den Bereich auf seiner Bahn zur Blende 18 durchströmt, weitere Desolvatisierung und Ionenverdampfung auf.
Aufgrund des niedrigeren Drucks in diesem Bereich wird die Energie dieser Kollisionen durch die Potentialdifferenz zwischen der Blende 15 und der Blende 18 beträchtlich beeinflußt, so daß erhebliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung auftreten kann. Die Energie der Kollisionen in diesem Bereich kann durch die elektrische Potentialdifferenz zwischen diesen Bereichen kontrolliert werden. Tatsächlich können diese Kollisionen so energiereich sein, daß eine Fragmentierung von ionisierten Analysestoffmolekülen stattfinden kann, wodurch nützliche Strukturinformation geboten wird.
Der Bereich 17 ist durch die Blende 15, die Blende 18 und das Wandteil 5 begrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Teile sämtlich durch die Isolierteile 7 elektrisch voneinander isoliert, so daß die Form des Wandteils 5 und das an ihm anliegende elektrische Potential zur Optimierung der Ladungsteilchenübertragung genutzt werden können. Es ist jedoch auch möglich, daß die Wandteile 5 elektrisch und/oder mechanisch Teil entweder der Blende 15 oder der Blende 18 sind.
Ein Teil des an der Blende 18 ankommendenen Ionenstroms durchquert eine Öffnung (Apertur) 19 an der Spitze bzw. am Scheitel der Blende 18, um in einen Bereich 20 einzutreten, der typischerweise von einem einen Massenanalysator 22 enthaltenden Bereich 21 getrennt ist, wobei jeder Bereich getrennt (ab)gepumpt wird, obgleich dies nicht zwingend notwendig ist. In anderen Ausführungsformen können die Bereich 20 und 21 nicht voneinander getrennt sein. In jedem Fall ist im Bereich 20 eine Ionenoptik 24 vorhanden, die dazu dient, über die Öffnung 19 in den Bereich 20 eintretende Ionen auf die Einlaßöffnung 25 des Massenanalysiergeräts 22 zu fokussieren. Typischerweise kann es sich dabei um einen Quadrupol-Massenspektrometer, eine Ionenfalle, einen Laufzeit-Massenspektrometer oder einen Magnetsektor- Massenspektrometer handeln.
In bevorzugter Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist jedoch diese Ionenoptik auch so ausgestaltet, daß sie auch zum Ionisieren von über ein Ableitventil (leak valve) 23 in den Bereich 20 eingeführten Neutralgasmolekülen durch herkömmliche Elektronenstoßionisierung dienen kann. Der durch diese Anordnung bereitgestellte Vorteil besteht darin, daß die Massenachse des Massenanalysators mit wohlbekannten, leicht zu reinigenden, niedrigmolekularen Verbindungen, typischerweise Perfluortributylamin, geeicht werden kann.
Der Einfachheit halber sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile nach den Fig. 2 bis 4 mit den gleichen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.
Gemäß Fig. 2 strömt die der Elektrospraywirkung zu unterwerfende (to be electrosprayed) Flüssigkeit (die typischerweise interessierende Analysestoffmoleküle, etwa von einem Flüssigchromatographen, mitführt) in Richtung des Pfeils 26 in das eine Ende des Durchgangs 10, der ständig auf oder nahe elektrischem Massepotential gehalten werden kann. Beim Austritt aus dem anderen Ende dieser Kapillare wird die Flüssigkeit auf oben beschriebene Weise in einen zeitmodulierten Elektrospray umgewandelt, und zwar aufgrund der zeitmodulierten elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Auslaßende 27 an der Spitze des Durchgangs 10 und dem Gitter 50, das mit der zeitmodulierten Spannungsversorgung 51 verbunden ist. Dieses Ende 27, aus dem die Flüssigkeit als Elektrospray austritt, und das Gitter 50 sind ungefähr einer leitfähigen Platte 30 gegenüberliegend angeordnet, die durch Isolierteile 7 elektrisch gegenüber ihrer Umgebung isoliert ist und daher auf einem beliebigen elektrischen Potential gegenüber Masse gehalten werden kann. Die eine (Düsen-) Öffnung 33 aufweisende Platte 30 dient auch als Wand zwischen einem Atmosphärendruck-Bereich 13 und einem Niederdruck- Bereich 34. Der Bereich 34 wird durch eine kleine Kreiselpumpe 4 auf diesem niedrigeren Druck von typischerweise 66,5 - 399,2 N/m² (0,5 - 3 Torr) gehalten. Die Platte 30 braucht nicht erwärmt zu werden, sondern kann auf Raumtemperatur gehalten werden. Durch den Druckabfall über die Platte 30 wird die im Bereich 13 befindliche Umgebungsatmosphäre durch die Öffnung 33 hindurch eingesaugt. Im Zusammenwirken mit dem elektrischen Feld zwischen dem Durchgang 10 und der Platte 30 bewirkt dieser Gasstrom, daß ein Teil der Elektrospray- Tröpfchen und der Ionen in die Öffnung 33 eintritt.
Dieser Strom aus Luft, Tröpfchen, Ionen und Dampf tritt aus der Öffnung 33 in einen Bereich 34 aus und beauf schlagt eine leitfähige (Loch-)Blende 18, die durch Isolierteile 7 gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert ist und daher auf ein beliebiges elektrisches Potential gegenüber Masse eingestellt sein kann. Typischerweise arbeitet sie mit einem solchen Potential, daß zwischen der Platte 30 und der Blende 18 ein elektrisches Feld besteht, das bestrebt ist, geladene Teilchen zur Blende 18 hin zu fokussieren bzw. zu bündeln. Da in diesem Bereich 34 Kollisionen sowohl geladener Ionenstrombestandteile mit Neutralgas als auch Dampfmolekülen auftreten, während sich diese Tröpfchen und solvatisierte Ionen auf ihrer Bahn zur Blende 18 bewegen, treten beträchtliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung auf, so daß ein nutzbares Ionensignal erzeugt werden kann.
Aufgrund des niedrigen Drucks in diesem Bereich wird die Energie dieser Kollisionen durch die Potentialdifferenz zwischen Platte 30 und Blende 18 beträchtlich beeinflußt, so daß erhebliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung auftritt. Die Energie der Kollisionen in diesem Bereich kann durch die elektrische Potentialdifferenz zwischen diesen Bereichen kontrolliert werden. Tatsächlich können diese Kollisionen so energiereich sein, daß eine Fragmentierung von ionisierten Analysestoffmolekülen stattfinden kann, wodurch nützliche Strukturinformation geliefert wird.
Der Bereich 34 ist durch die Platte 30, die Blende 18 und das Wandteil 3 begrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle diese Teile durch Isolierteile 7 elektrisch voneinander isoliert, so daß die Form des Wandteils 3 und das daran anliegende elektrische Potential zum Optimieren der Ladungsteilchenübertragung genutzt werden können. Das Wandteil 3 kann jedoch auch elektrisch und/oder mechanisch Teil entweder der Platte 30 oder der Blende 18 sein.
Ein Teil der an der Blende 18 ankommenden Ionen und Tröpfchen durchquert die Öffnung 19 im Scheitel der Blende, um in den Bereich 20 einzutreten, der idealerweise von dem den Massenspektrometer 22 enthaltenden Bereich 21 getrennt ist; üblicherweise wird jeder Bereich getrennt (ab)gepumpt (pumped), doch ist dies nicht zwingend notwendig. In anderen Ausführungsformen sind die Bereiche 20 und 21 nicht getrennt. In jedem Fall ist im Bereich 20 eine Ionenoptik 24 enthalten, die zum Fokussieren von (über die Öffnung 19) in den Bereich eintretenden Ionen auf die Einlaßöffnung 25 des Massenanalysators 22 dient. Dieser ist typischerweise ein Quadrupol-Massenspektrometer, eine Ionenfalle, ein Laufzeitspektrometer oder ein Magnetsektor-Massenspektrometer. In bevorzugter Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist jedoch diese Ionenoptik auch so ausgelegt, daß sie auch zum Ionisieren von Neutralgasmolekülen, die über ein Ableitventil 23 in den Bereich 20 eingeleitet werden, durch herkömmliche Ionenstoßionisierung dienen kann. Der durch diese Anordnung bebotene Vorteil besteht darin, daß die Massenachse des Mässenanalysators mit an sich bekannten, leicht zu reinigenden, niedrigmolekularen Verbindungen, typischerweise Perfluortributylamin, geeicht werden kann. Andere spezifische, durch diese Konstruktion gebotene Vorteile sind der Wegfall der Notwendigkeit für irgend eine externe Gasversorgung, einfaches Zerlegen und Reinigen sowie die Fähigkeit zur Lieferung nutzbarer Daten mit vergleichsweise anspruchslosen Kreiselpumpen. Ein zusätzliches Merkmal dieser Ausgestaltung besteht darin, daß nur eine Kreiselpumpe sowohl zum Evakuieren des Bereichs 34 als auch zur Gewährleistung einer Rückförderung (back pumping) für die zum Evakuieren der Bereiche 20 und 21 benötigten Turbomolekular- oder Diffusionspumpen eingesetzt werden kann.
Gemäß Fig. 3 strömt die der Elektrospraywirkung zu unterwerf ende (to be electrosprayed) Flüssigkeit, die typischerweise interessierende Analysestoffmoleküle enthält, in Richtung des Pfeils 26 in das eine Ende des Durchgangs 10 ein. Beim Austritt aus dem anderen Ende dieser Kapillare wird die Flüssigkeit durch die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Auslaß 27 an der Spitze des Durchgangs 10 und dem Gitter 50, das mit einer zeitmodulierten Spannungsversorgung 51 verbunden ist, in einen Elektrospray umgewandelt. Dieser Durchgang 10 ist in einer Kammer 40 angeordnet, die durch einen über eine Einlaßöffnung 42 eingeführten Gasstrom auf einem Druck von ungefähr 41368,6 - 82737,1 N/m² (6 - 12 psi) über dem außenseitigen Umgebungsdruck im Bereich 13 gehalten wird. Dieser Auslaß 27, von dem aus die Flüssigkeit zu einem Elektrospray umgewandelt (electrosprayed) wird, und das Gitter 50 sind einem beheizten, elektrisch isolierten, leitfähigen Stopfen 44 mit- einer (Düsen-)Öffnung 45 ungefähr gegenüberliegend angeordnet. Dieser (Stopfen) dient auch als Wand zwischen einem Atmosphärendruck-Bereich 13 und einem Bereich höheren Drucks 43. Der Stopfen 44 wird idealerweise auf einer Temperatur von 65 - 125ºC gehalten. Der Druckabfall über ihn bewirkt, daß im Bereich 43 vorhandenes Gas über die Öffnung 45 ausströmt. In Verbindung mit dem elektrischen Feld zwischen dem Durchgang 10 und dem Stopfen 44 läßt dieser Gasstrom einen Teil der Elektrospray-Tröpfchen und der Ionen in die Öffnung 45 eintreten. Während diese Tröpfchen die Öffnung 45 passieren, wird auf sie Wärme übertragen, so daß eine deutliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung auftreten kann.
Dieser Ionenstrom von Luft, Tröpfchen, Ionen, Clustern und Dampf tritt aus der Öffnung 45 in den Bereich 13 ein und prallt auf ein elektrisch leitendes Gehäuse 11, das durch Isolierteile 7 gegenüber seiner Umgebung elektrisch isoliert ist und somit auf einem beliebigen elektrischen Potential gegenüber Masse gehalten werden kann.
Der Bereich 14 ist durch das Gehäuse 11, die Blende 15 sowie das Wandteil 8 begrenzt. In bevorzugter Ausführungsform sind alle diese Teile durch die Isolierteile 7 elektrisch gegeneinander isoliert, so daß die Form des Wandteils 8 und das an ihm anliegende elektrische Potential zum Optimieren der Ladungsteilchenübertragung genutzt werden können. Das Wandteil 8 kann jedoch auch elektrisch und/oder mechanisch Teil entweder des Gehäuses 11 oder der Blende 15 sein.
Ein Teil des an der Blende 15 ankommenden Ionenstroms durchquert die Öffnung 16 am Scheitel der Blende und tritt in den Bereich 17 ein, um auf eine leitfähige Blende (skimmer) 18 aufzutreffen, die gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert ist und daher auf ein beliebiges elektrisches Potential in bezug auf Masse gesetzt sein kann. Der Bereich 17 wird durch eine andere -Kreiselpumpe 4 auf einem niedrigeren Druck von typischerweise 13,3 - 399,2 N/m² (0,1 - 3 Torr) gehalten. Da beim Hindurchströmen des Ionenstroms zur Blende 18 wiederum Kollisionen zwischen geladenen Tröpfchen der Ionenstrombestandteile und Neutralgasmolekülen in diesem Bereich 17 auftreten, ergeben sich zusätzliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung.
Aufgrund des niedrigeren Drucks in diesem Bereich wird die Energie dieser Kollisionen durch die Potentialdifferenz zwischen den Blenden 15 und 18 erheblich beeinflußt, so daß deutliche Desolvatisierung und Ionenverdampfung auftreten kann. Die Energie der Kollisionen in diesem Bereich kann mittels der elektrischen Potentialdifferenz zwischen diesen Bereichen kontrolliert werden. Tatsächlich können diese Kollisionen so energiereich sein, daß eine Fragmentierung von ionisierten Analysestoffmolekülen unter Lieferung nützlicher Strukturinformation stattfinden kann.
Der Bereich 17 ist durch die Blende 15, die Blende 18 und das Wandteil 5 begrenzt. In bevorzugter Ausführungsform sind alle diese Teile durch Isolierteile 7 elektrisch gegeneinander isoliert, so daß die Form des Wandteils 5 und das an ihm anliegende elektrische Potential zur Optimierung der Ladungsteilchenübertragung genutzt werden können. Die Wandteile 5 können aber auch elektrisch und/oder mechanisch Teil entweder der Blende 15 oder der Blende 18 sein.
Ein Teil des an der Blende 18 ankommenden Ionenstroms durchquert eine (Düsen-)Öffnung 19 im Scheitel der Blende 18 und tritt in einen Bereich 20 ein, der typischerweise von dem den Massenspektrometer 22 enthaltenden Bereich 21 getrennt ist; jeder Bereich wird getrennt (ab)gepumpt, doch ist dies nicht zwingend notwendig. In anderen Ausführungsformen können die Bereiche 20 und 21 nicht (voneinander) getrennt sein. In jedem Fall ist im Bereich 20 eine Ionenoptik 24 enthalten, die zum Fokussieren von über die Öffnung 19 in den Bereich 20 eintretenden Ionen auf die Einlaßöffnung oder -apertur 25 des Massenanalysators 22 dient. In bevorzugter Ausführungsform kann diese Ionenoptik jedoch auch so ausgestaltet sein, daß sie auch zum Ionisieren von Neutralgasmolekülen, die über ein Ableitventil 23 in den Bereich 20 eingeführt werden, mittels herkömmlicher Elektronenstoßionisierung dienen kann. Der durch diese Anordnung gebotene Vorteil besteht darin, daß die Massenachse des Massenanalysators mit an sich bekannten, leicht zu reinigenden, niedrigmolekularen Verbindungen, typischerweise Perfluortributylamin, geeicht werden kann. Der durch diese Konstruktion gebotene Hauptvorteil besteht darin, daß diejenigen Elemente, die am häufigsten gereinigt werden müssen, eine getrennte Anordnung oder Baugruppe, die kein Vakuum beinhaltet, bilden und somit gereinigt werden können, ohne den Rest des Systems zu stören.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 entspricht derjenigen nach Fig. 3, mit dem Unterschied, daß das Gitter 50 weggelassen und die zeitmodulierte Spannungsversorgung 51 an den die Öffnung 45 aufweisenden Stopfen 44 angeschlossen ist. Die restlichen Elemente nach Fig. 4 arbeiten auf die oben anhand von Fig. 3 beschriebene Weise.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform dieser Erfindung besteht in einer Kombination mit Ionenmobilitätsdetektoren (IMD); bei diesen handelt es sich um Vorrichtungen, die getrennte Gasphasenionen auf der Grundlage ihrer Gasphasenmobilität detektieren. Typischerweise werden Ionen am Probeneinlaßende nach einem von verschiedenen Prozessen erzeugt, nämlich Elektronenstoß von Elektronen, die von einer (einem) Ni-63-Quelle bzw. -Strahler emittiert werden, Elektrospray, Koronaspray oder Ionen-Molekülreaktionen.
Ein Koronaspray wird mit einer Ausrüstung generiert, welche der für den Elektrospray benutzten ähnlich ist, außer, daß ein angelegtes Feld so hoch ist, daß ein kontinuierlicher elektrischer Durchbruch erzeugt wird. Dieser Prozeß liefert vornehmlich einzeln (singly) geladene Ionen (vgl. z.B. "Coronaspray Nebulization and Ionization of Liquid Samples for Ion Mobility Spectrometry", C.B. Shumate et al., Analytical Chemistry, Vol. 61, 1989, S. 601 - 606).
Diese, am Probeneinlaßende erzeugten Ionen werden dann durch das aufgeprägte elektrische Feld veranlaßt, durch das Driftrohr zu driften, typischerweise gegen einen Gegenstrom trockenen, erwärmten Gases, bis sie am Tor oder Gatter (gate) ankommen. Letzteres wird elektrisch so gepulst, daß ein Puls (Stoß) von Ionen in die zweite Sektion des Driftrohrs entlassen wird, wo die Ionen im Puls auf der Grundlage ihrer Mobilitäten getrennt werden können. Bei Ankunft am Kollektoroder Sammlerende des Drif trohrs werden die Ionen durch Messung des elektrischen Stroms, den sie beim Auftreffen auf einen Kollektor zum Fließen bringen, detektiert bzw. nachgewiesen.
Die Erzeugung von Stößen (bursts) von zeitmodulierten Elektrospray- oder Koronasprayionen durch Anlegen eines zeitmodulierten elektrischen Felds an die Spitze (das Ende) einer Elektrospray- oder Koronaspray-Kapillare kann zwei Hauptvorteile gewährleisten. Hierbei entfällt die Notwendigkeit für ein Gatter in einem IMD-Gerät, das ein mechanisch komplexes und fertigungsmäßig kostenaufwendiges Bauteil darstellt. Zudem kann dadurch die Wirksamkeit der (des) Detektion bzw. Nachweises durch Verringerung des Einflusses des Tastverhältnisses des Gatters und des Verlusts an Ionen am Gatter erhöht werden. Die spezifische Verwendung eines zeitmodulierten Elektrosprays oder Koronasprays in Verbindung mit einem Ionenmobilitätsdetektor ist somit ein(e) Ziel oder Aufgabe dieser Erfindung.

Claims

1. Vorrichtung zum Umwandeln einer eine gelöste (solute) Probe enthaltenden Lösung in ionisierte Moleküle für eine Analyse der Probe, umfassend:

einen Durchgang (10) zum Hindurchleiten der Lösung durch diesen, welcher Durchgang (10) einen Auslaß (27) zum Austragen der Lösung aus dem Durchgang (10) in Form eines Elektrosprays aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (50, 51) zum Generieren eines zeitmodulierten elektrischen Felds in der Nähe des Auslasses (27) des Durchgangs (10) vorgesehen sind, um damit die Erzeugung des Elektrosprays zeitlich zu modulieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Durchgang (10) den Auslaß (27) zum Austragen der Lösung in einen ersten Bereich (13) in einem Fluidmedium aufweist und wobei die Mittel (50, 51) zum Generieren eines zeitmodulierten elektrischen Felds ein Element (50) zwischen dem ersten Bereich (13) und einem zweiten Bereich (14) im Fluidmedium sowie ein Mittel (51) zum Anlegen eines zeitmodulierten elektrischen Potentials an das Element (50) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Anzahl der Elemente (52, 53, 54), von denen jedes der Elemente (ein) Mittel (51) zum Anlegen eines zeitmodulierten elektrischen Potentials aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Elemente (52, 53, 54) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Elemente (52, 53, 54) nicht parallel zueinander angeordnet sind und damit eine gekrümmte Bahn für geladene Teilchen des Elektrosprays festlegen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Durchgang ein Kapillarrohr (10) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Kapillarrohr (10) aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff geformt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend ein analytisches Gerät (22) zum Detektieren bzw. Nachweisen des Vorhandenseins geladener Teilchen stromab des Durchgangs (10).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, enthaltend ein elektrisch und thermisch leitfähiges Gehäuse (11), das zwischen die Mittel (50, 51) zum Generieren eines zeitmodulierten elektrischen Felds und das analytische Gerät (22) eingeschaltet ist, welches Gehäuse (11) einen beheizten zweiten Durchgang (1) durch die Dicke des Gehäuses (11) zwecks Herbeiführung einer Umwandlung des Elektrosprays in einen desolvatisierten Ionenstrom aufweist, welches Gehäuse (11) ein(e) Dimension bzw. Maß zur Bildung eines Teils einer unter Vakuum gehaltenen Kammer (32) aufweist und die Kammer (32) eine zwischen das Gehäuse (11) und das analytische Gerät (22) eingefügte (Loch-)Blende (skimmer) (15) enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse (11) und die Blende (15) elektrisch voneinander isoliert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse (11), die Blende (15) und das analytische Gerät (22) elektrisch voneinander isoliert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Durchgang (1) im Gehäuse (11) einen konstanten Durchmesser aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Durchgang (1) im Gehäuse (11) einen variierenden Durchmesser aufweist.

14. Verfahren zum Erzeugen eines Elektrosprays aus einer eine gelöste (solute) Probe enthaltenden Lösung, wobei die Lösung durch einen Durchgang (10) geleitet wird, um die Lösung in Form eines Elektrosprays aus einem Auslaß (27) in einen ersten Bereich (13) auszutragen, welcher Elektrospray durch ein Element (50) zwischen dem ersten Bereich (13) und einem zweiten Bereich (14) gebildet bzw. erzeugt wird, gekennzeichnet durch den Schritt eines Anlegens eines zeitmodulierten Potentials über ein Mittel (51) an das Element (50) in der Nähe des Auslasses (27) zwecks Erzeugung eines zeitmodulierten Elektrosprays, um damit eine Übertragung geladener Teilchen des Elektrosprays vom ersten Bereich (13) zum zweiten Bereich (14) zu bewirken.